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基于ABAOUS的单个颗粒与加工面碰撞对固液两相流加工的影响研究

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在模具制造过程中,为了消除模具表面所残留的机械加工痕迹 ,光整加工技术成为了必要的加工环节。现有的光整加工方法-般需要借助工具接触进行加工,然而基于工具接触加工难以实现结构化表面nl ]的精密加工,因此 ,本研究提出了软性”磨粒流的模具结构化表面精密光整加工新方法b 。软性”磨粒流的模具结构化表面无工具精密光整加工新方法的机理是把具有良好湍流特性的软性”磨粒流(具有弱粘收稿日期:2012-08-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875242,50905163)作者简介:计时鸣(1957-),男 ,浙江温州人,博士,教授,博士生导师,主要从事精密/超精密加工方面的研究.E-mail:jishiming###zjut.edu.cn· 2 · 机 电 工 程 第30卷性)作为加工工具,利用磨粒流的颗粒与结构化表面进行多角度频繁的微切削作用 ,消除加工壁面的粗糙表面,提高切削的均匀性,实现逐步光整,最终实现模具结构化表面无工具精密加工 。从固液两相流加工机理可以知道,磨粒与壁面的切削作用是流道壁面磨损 最直接的原因。

本研究以单磨粒碰撞加工表面为例,利用具有强大分析功能的ABAQUS有限元仿真软件 对磨单磨粒与加工壁面的接触作用与磨损效果进行分析,为固液两相流的研究提供理论依据。

l 磨粒磨损微切削理论在磨粒磨损中,较硬材料的微凸体会穿透并切削较软的材料 。表面上的刮痕是磨粒磨损的-个标志。Hutchingsl9 认为正是磨粒磨损造成加工表面的材料去除。磨粒流技术主要用于金属、合金等塑性材料的表面光整加工,塑性材料的材料去除主要是由于磨粒对加工表面的微切削作用。

由于所有硬表面上的微切削都是圆锥状的,颗粒对塑性材料切削作用的示意图如图1所示。

l , 、 , 磨料圆锥 / /图 1 颗粒对塑性材料切 削作用不 蒽图图 1中,在磨料圆锥法向力的作用下 ,圆锥压入到较软的材料中。根据较软材料的硬度的定义0 ,有:AF 。1Tr (1)圆锥在垂直平面上的投影面积等于 。对于位移 ,圆锥切掉的体积dV为:dV:rhdxr2tan0dx:-AFNta-n0dx (2)'frO"o本研究将该体积和材料磨损残片的体积联系起来,也就是二者相等。磨损率定义为磨损残片的面体积除以滑动的长度,磨损率等于:TdV: -AFN-tan0 (3)眦 'foro所有微粗糙体的总和产生的磨损残片体积为:: -FNta-n 0 (4)"frO-o式中:面 -所有微接触的tan 0的加权平均值。

式(4)经常被写为Archard磨损方程,即:: f510其中,磨损残片的体积与法向力和滑动长度成正比,与材料成反比。磨损系数 k 表示磨粒表面的几何形状。

Finnien 提出了刚性粒子对塑性材料的冲蚀磨损机 理 。单 位 时 间 、单 位 面 积 内 的质 量 磨 损 率(单位:kg/m ·S)的完整表达式为:Wm∑鲁 (6)式中:E-无因次量,表示磨损量;n-单位时间内碰撞壁面的颗粒个数;A-磨损面积。

磨损量表达式为:Ec m ) (7), 、- 式中:K-随粒子形状改变而改变的参数(作用在粒子上的垂直分量与水平分量之比);c-有效冲击粒子比例; -切削长度与深度比; -材料塑性流动应力;'13-颗粒速度 ;m-颗粒质量;f )-无因次函数,表示碰撞角度的作用。

无因次函数 ( 的表达式如下:l/( (sin2 ~ sin2 )p,仅Or。

式中: -颗粒碰撞角度, 。-临界入射角度 ,P-加工表面材料密度。

Hashish修正了Finnie磨损模型,改进了其中的速度指数,加入了粒子形状的影响。改进后的模型为: 7 m v J2,5 sin(2 ) (9)式中:C 、/3 R , -粒子的圆度因子;其余变量与Finnie模型相同。

由于Hashish模型不需要试验常数 ,使用起来更为方便。该模型在考虑速度系数的同时包含了颗粒形状的影响,因此,该模型同样适用于塑性材料低冲击角的磨损情况。

2 磨粒磨损的有限元分析2.1 有限元分析简介有限元分析不仅计算精度高,而且能适用于各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。而其中,将有限元用于铣削、磨削等切削过程的研究成为- 种高效的数值分析方法。ABAQUS就是其中-款具有强大有限元分析功能的软件 ,该软件在非线性分· 14 · 机 电 工 程 第30卷(PCA)够有效反映设备的运行状态,并能很好地实现拉缸故障的早期预警,同时解决了对特征参数的选择问题。

5 结束语笔者研究了对往复式压缩机拉缸故障的早期预警方法,得到了如下结果:(1)不同的特征参数表征着不同的故障类型,对于现场采集到的原始数据,选取适当的特征参数显得尤为重要;虽然有些特征参数两两组合也能很好地区分往复式压缩机的设备工况,但是也存在个别不能区分设备工况的情况 ,总体状态不稳定,易给压缩机早期预警埋下隐患。

(2)经PCA处理之后,针对压缩机预警状态稳定,能很好地区分设备工况。工程实际应用过程中,可通过对压缩机缸体加速度信号的提取,实现对往复式压缩机拉缸故障的早期预警。

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